Uso Conjunto do Autocad e do Epanet para Projeto, Simulação e ...

IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004USO CONJUNTO DO AUTOCAD E DO EPANET PARA PROJETO, SIMULAÇÃOE DIMENSIONAMENTO DE REDES DE ABASTECIMENTO DE ÁGUAMarco Aurélio Holanda de Castro 1Resumo - Este trabalho apresenta um pacote computacional que cria uma forma automatizada deexportar arquivos do AutoCAD para o Epanet, utilizando-se da programação AutoLISP. O pacotepossui aplicação dentro da engenharia em planejamento e operação de redes de abastecimento deágua. Desta forma, é possível minimizar os esforços gastos na fase de pré-processamento dasimulação computacional de uma rede hidráulica, uma das etapas que requer a maior parte dotempo gasto na realização dos estudos.Abstract - The hydraulic simulation is one of the most powerful ways to perform analysis withinpressurized pipe networks. However, it is quite common that the planner spends great part of thetime study in the preprocessing phase. A package of programs developed in the AutoCAD’sworkspace provides a dynamic and automatic solution for this problem. Customized operation toolscreated in AutoLISP code allow the users to model the network pipes and elements, usingAutoCAD’s advantages and graphic resources, and export a file containing all the hydraulic andgeometric data. This file could be opened in Epanet, and is just ready to run.Palavras-chave: EPANET, AUTOCAD, Hidráulica.INTRODUÇÃOA utilização de ferramentas computacionais nas diversas áreas de engenharia vem se tornandocada vez mais freqüente e necessária. A economia de tempo obtida com a automatização de tarefasrotineiras possibilita realizar análises mais detalhadas do problema e, conseqüentemente, encontrarsoluções ótimas ou mais apropriadas ao estudo.O sucesso dos programas computacionais foi seguido de um grande aumento da quantidade desoftwares que hoje se encontram disponíveis no mercado. Entretanto, muito além de se limitarsomente às possibilidades oferecidas por esses softwares, o bom profissional deve procurar, àmedida que possível, desenvolver seus próprios programas para aplicações específicas.Dentro dessa visão, desenvolveu-se um pacote computacional que cria uma forma dinâmica deexportar arquivos do AutoCAD para o Epanet, utilizando-se da programação AutoLISP. O pacotepossui aplicação dentro da engenharia em planejamento e operação de redes de abastecimento deágua.Desta forma, é possível minimizar os esforços gastos na fase de pré-processamento dasimulação computacional de uma rede hidráulica, uma das etapas que requer a maior parte dotempo gasto na realização dos estudos.A grande vantagem do desenvolvimento desta ferramenta é possibilitar ao usuário utilizar ainterface gráfica do AutoCAD, um dos programas mais conhecidos e difundidos no meio daengenharia, e os recursos matemáticos do Epanet, simulador do comportamento hidráulico e daqualidade da água em redes pressurizadas.O pacote computacional consta de dois módulos: o primeiro é responsável pela interação com ousuário para captura dos elementos gráficos e dos dados básicos dos constituintes da rede deabastecimento de água; e no segundo é onde se procede na especificação dos métodos a serem1 Departamento de Enga. Hidráulica e Ambiental, Universidade Federal da Ceará, Centro de Tecnologia, Campus doPici, Bloco 713, CEP 60450. Fone: 0xx85-2889623 Fax: 0xx85-2889627 e-mail: marco@ufc.br1

IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004empregados na simulação matemática, como o cálculo das perdas de carga e das demandas, e ondese define em que condições o traçado da rede será exportado.MÓDULOS UFC2 E UFC3É cada vez mais comum a apresentação de projetos de engenharia utilizando sistemas CAD.Entretanto, não é comum a manutenção de um padrão específico para representação do traçado edos elementos hidráulicos nos projetos, muitas vezes até dentro de uma mesma empresa ouinstituição. O módulo UFC2 facilita o processo de entrada gráfica de dados, e, além disso,estabelece um padrão a ser adotado, facilitando assim análises integradas ou a consolidação dediferentes projetos.Ao ser executado, o módulo UFC2 carrega uma palheta com os ícones disponíveis paradesenho dos elementos da rede a ser modelada, quais sejam: tubulação da rede, reservatórios (tiposcircular e retangular), booster, poço profundo, estação de bombeamento, manancial, registro,válvula controladora de pressão, conexões, demanda especial, aspersor e adutora. Na palheta épossível acessar ainda outras opções como: estaqueamento automático de adutoras, edição deelementos já inseridos e definição das características “default” dos constituintes da rede. Umaaplicação do módulo UFC2 é ilustrada na Fig. 1.Figura 1 - Inserção gráfica e entrada de dados de um dos elementos da rede de abastecimentod’águaMODELAGEM DE REDES E CAPTAÇÃO DOS ELEMENTOSNeste item são apresentados os elementos que podem ser incorporados à rede de abastecimentode água no Epanet e como é feita a entrada de dados destes constituintes, etapa esta realizada nomódulo UFC2. Em seguida, demonstra-se como é realizada a exportação do arquivo para o Epanet,através do módulo UFC3.2

IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004TubulaçõesOs tubos são representados no AutoCAD por uma linha. Os tubos deverão possuir ascaracterísticas de comprimento, material, diâmetro e coeficiente de rugosidade. Estas informaçõessão armazenadas no layer da entidade, que segue um padrão convencional de letras e números.O gerenciamento do sistema através de layers é fundamental para o desenvolvimento detrabalhos utilizando-se processos de CAD. Este sistema é flexível e poderoso, devendo ser bemexplorado de forma a permitir que as informações sejam administradas de modo eficiente.A característica “layer” é representada por um nome que pode ser aproveitado na definição dedados concernentes ao objeto representado. Deste modo, gravamos no nome do “layer” de um dadotubo: o tipo de tubulação que ele representa (autora, rede existente ou rede projetada), o material, odiâmetro e os coeficientes de rugosidade. Assim, tubos com estas mesmas características estarãoagrupados numa mesma camada. Quanto ao comprimento, o mesmo estará presente no elementográfico desenhado.Os valores de coeficiente de rugosidade (“C”) para ser aplicado mais adiante na equação deHazen-Williams (PORTO 1998), ou de “ε” para a equação de Darcy-Weisbach, serão inseridosautomaticamente, de acordo com o material selecionado para a tubulação, a menos que se opte porinserir outro valor, que é possível ser modificado na definição de valores “default”.A partir dos valores mencionados, também é gerado automaticamente um texto, acima da linhaque representa o tubo, contendo uma breve descrição do mesmo.Caso o usuário queira indicar que um tubo está sendo mantido fechado, por uma válvula comoexemplo, não será necessário retirá-lo do desenho, mas somente acrescentar um bloco padrão querepresenta uma válvula. Desta forma, o tubo será considerado inicialmente fechado durante asimulação. Este bloco necessita apenas conter o tubo desativado, como é mostrado na Fig. 2.Figura 2 - Exemplo de válvula para fechamento de um tuboJunções ou NósPara cada início, ou fim, de um tubo, é gerado um nó na rede. Este nó deverá possuir, além desuas coordenadas, valores de elevação (cota) e demanda. As cotas são obtidas a partir dainterpolação dos vértices dos tubos entre as curvas de níveis mais próximas. Assim, o usuário podeeconomizar uma grande quantidade de tempo, pois não é necessário entrar com os valores deelevação para cada nó ou junção da rede, mas somente fornecer a topografia do terreno.As demandas podem ser calculadas de três formas: através da população de projeto, através donúmero médio de ligações a cada 100 m ou através de um arquivo contendo a cota de demanda decada nó, caso o usuário queira entrar com valores específicos em cada junção. Este último casoocorre quando há um cadastramento dos pontos de consumo, o que é comum nas atuais gestões deredes de abastecimento. No caso do arquivo de exportação ser para simulação, será acrescentado3

IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004um padrão de variação horária das demandas (Fig. 3); e caso o arquivo de exportação seja paraprojeto, será computado somente um coeficiente horário de maximização da demanda, k2.Figura 3 - Valores de “padrão” de consumo para simulação, no EPANETReservatóriosUm reservatório, no Epanet, é um nó que representa uma infinita fonte de recurso externo ouum distribuidor de água. Eles são utilizados para modelar mananciais, tais como rios, lagos eaqüíferos. Seu atributo principal é a carga hidráulica da água nele contida. Eles aparecerão, alémdos casos em que representarem reservatórios de nível fixo, na modelagem de poços profundos,estações de bombeamento e conexões.BombasAs bombas são equipamentos que fornecem energia a um fluido aumentando assim, sua cargahidráulica. Estes elementos não possuem um bloco próprio característico e aparecerão apenas namodelagem de um outro elemento que o utilize ou que, simplesmente, seja uma bomba com umobjetivo específico. No EPANET, ele deverá ter um nó inicial e um nó final, para indicar seusentido. Seu principal parâmetro de entrada é a “curva de bomba”, que representa a relação entre acarga e a vazão que essa bomba pode ofertar em seu estado nominal de velocidade. Uma curva debomba válida deve conter valores decrescentes de carga com o aumento da vazão, conforme ilustraa Fig. 4.4

IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004Figura 4 - Exemplo de “curva de bomba” e de eficiência no EPANETPode-se ainda fornecer uma curva de eficiência para essa bomba. Esta curva determina aeficiência da bomba (em percentagem) em função da vazão. A eficiência representará não só asperdas de energia mecânica na bomba, mas também as perdas de energia elétrica no motor.Essas informações são agrupadas num arquivo de texto, de extensão “.txt”, que deverá possuira descrição da bomba e os pontos das curvas de bomba e de eficiência. O número de pontos destascurvas deve ser, preferencialmente, três ou cinco, sendo possível também entrar com mais pontos.BoosterOcorre em casos onde se encontra uma bomba inserida entre tubulações. É representado por umbloco característico (Fig. 5) que contem como atributos, apenas, sua identificação, o arquivo dabomba, o reservatório de destino e se o mesmo está, ou não, em operação. Ao ser inserido pede-se aindicação do nó a montante, para assim termos o sentido em que haverá o acréscimo da cargahidráulica.Quando for apontado o reservatório de destino, será criado para o Epanet um comando decontrole de acionamento e desligamento da bomba, para o caso de ela atingir o nível mínimo ou onível máximo.Figura 5 - Exemplo de bloco de booster e seu modelo no EPANET5

IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004Poços profundos Os poços são utilizados para a captação de água subterrânea, geralmente emgrandes profundidades. Eles podem ser modelados como sendo uma bomba que capta água de umreservatório e cede à rede. Porém, nessa captação ocorrem perdas de carga localizada e distribuída,no tubo edutor. Essas perdas são modeladas acrescentando-se, após a bomba, um tubo edutor comcomprimento no desenho igual a 1 metro, mas com valor de comprimento igual à profundidade dabomba e um coeficiente de perda de carga localizada fornecido pelo usuário, o que é feito atravésde uma caixa de diálogo com uma lista de elementos que causam perdas de carga localizada (crivo,válvula de pé, cotovelos, curvas, etc.). Os valores de diâmetro e material deste tubo edutor tambémdeverão ser especificados.Portanto, poços profundos, como mostra a Fig. 6, serão representados por blocos que deverãoconter as seguintes informações: identificação do referido poço; nível d’água; profundidade deinstalação; diâmetro e material do tubo edutor; coeficiente de perda de carga localizada; arquivo dabomba submersa; reservatório de destino; e um atributo que indicará se o poço está, ou não, emoperação.Figura 6 - Exemplo de bloco de poço e seu modelo no EPANET contendo o tubo edutorEstações de BombeamentoAs Estações de bombeamento são comumente usadas na captação de rios e outros mananciaisde águas superficiais. Da mesma forma que em poços profundos, eles podem ser modelados comosendo uma bomba que capta água de um reservatório e cede à rede, lembrando-se de que agorateremos, ao invés de um tubo edutor, uma tubulação de sucção, que virá antes da bomba. Alémdessa diferença, é comum em estações de bombeamento a utilização de bombas em paralelo, assim,será criado um tubo de sucção para cada bomba inserida.Assim, as estações de bombeamento serão representados no AutoCAD por blocos (Fig. 7) quedeverão conter os seguintes atributos: identificação; nível d’água do manancial; altura de sucção;diâmetro, material e comprimento da tubulação de sucção; coeficiente de perda de carga localizada;número de bombas em paralelo; arquivo da bomba submersa; reservatório de destino; e um atributoindicando o estado de operação.6

IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004Figura 7 - Bloco de Estação de Bombeamento com três bombas em paralelo e seu respectivomodelo no EPANETConexões entre redesQuando uma rede de abastecimento é muito extensa, ela pode ser dividida, tratando-se suaspartes separadamente. Para tal, deve-se considerar os pontos desta divisão como conexões, quepoderão ser de entrada ou de saída de uma rede para outra.Até o momento, modelamos apenas conexões de entrada, que são consideradas como um poçoe um reservatório (tipo manancial) de nível d’água (constante) igual à cota do terreno. A bombadesse poço terá uma curva de carga hidráulica por vazão, formada por três pontos. Estes pontos sãocaptados através do bloco de conexão que deverá conter os valores de vazão e pressão máxima,média e mínima, do ponto de conexão. A composição destes valores, sabendo-se que a pressão como inverso da vazão formará a curva da bomba em questão.Além da opção acima descrita de modelagem da conexão, pode-se usar também simplesmenteum reservatório (manancial) de nível d’água constante. As duas situações estão apresentadas aseguir:TanquesFigura 8 - Bloco de tanque retangular e seu modelo equivalente no EPANETTanques se comportam como um nó que possui capacidade de armazenamento, onde estevolume armazenado poderá variar durante o tempo de simulação. Eles são representados no Epanetpor entidades que possuem informações de cota, diâmetro, níveis d’água máximo, mínimo e inicial.7

IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004Assim, seus valores serão obtidos no AutoCAD por um bloco que possua como atributos:identificação; diâmetro; e as diferenças entre a cota do terreno e o níveis d’água máximo, mínimo edo nó de entrada. Caso o nó de entrada esteja acima do nível máximo, será gerado um nó antes dotanque com cota igual à cota do no nível de entrada. O nível inicial será igual ao nível médio e acota do tanque será simplesmente igual ao valor da cota calculada para esse ponto. Podem sermodelados dois tipos de tanques: circulares e retangulares (Fig. 9).ResultadosFigura 9 - Bloco de tanque retangular e seu modelo equivalente no EPANETAtravés da inserção desses elementos, com o auxílio do módulo UFC2, pode-se entãoaglomerar todos os dados necessários para a construção de uma rede num só arquivo gráfico (Fig.10), de onde será exportado, de forma simples e rápida, o arquivo de entrada para a simulação noEPANET, através do módulo UFC3. Tendo em mãos o arquivo de entrada de dados, será suficientecarregá-lo no EPANET para serem feitos os cálculos hidráulicos necessários para a simulação darede (Fig. 11).8

16IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004PVC- Ø 50mm L=85.1m1112131415PVC- Ø 50mm L=112.3mPVC- Ø 50mm L=84.4m5678 9 10PVC- Ø 50mm L=130mPVC- Ø 50mm L=279.4mPVC- Ø 50mm L=74.9mPVC- Ø 50mm L=69.0mPVC- Ø 50mm L=141.8mPVC- Ø 50mm L=113.9mPVC- Ø 50mm L=256.5m1 2 34PVC- Ø 50mm L=80.6mPVC- Ø 50mm L=126.1mPVC- Ø 50mm L=69.5mPVC- Ø 50mm L=142.7mPVC- Ø 50mm L=78.8mFigura 10 - Arquivo completo para a transposição de dadosFigura 11 - Modelo criado a partir do arquivo gráfico em simulação no EPANET9

IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004CONCLUSÕESEsta ferramenta permite obter um instrumento importante que deve ser usado para desenho,cadastro, consulta comercial e técnica de redes de abastecimento de água. Além disso, pode serutilizada como uma poderosa ferramenta de auxilio aos engenheiros e técnicos que operam essasredes, uma vez que facilita e viabiliza a simulação hidráulica das redes, o que é de importância vitalpara detecção de eventuais problemas nas redes (baixas pressões e vazões, etc.), assim como para oplanejamento de futuras expansões.A automatização da entrada de dados possibilita não somente uma substancial economia emtempo de pré-processamento, mas também um ganho em termos de precisão da simulaçãohidráulica de redes reais, uma vez que se minimizam os erros cometidos no processo de umaentrada de dados manual.Além das vantagens da automatização do processo de simulação, o programa possibilita adotarum padrão nos arquivos do traçado da rede, que possuem grande flexibilidade, inclusive paraedições finais de plotagem.10

IV SEREA - Seminário Hispano-Brasileiro sobre Sistemas de Abastecimento Urbano de ÁguaJoão Pessoa (Brasil), 8 a 10 de novembro de 2004REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASBJÖRK, B-C., LÖWNERTZ, K., KIVINIEMI, A. -ISO DIS 13567 - The Proposed InternationalStandard for Structuring Layers in Computer Aided Design- 1997.DRCN-COPASA - Normas Técnicas para Apresentação de Desenhos em CAD - 2002.DynaSOFT Systems Ltda - Proposição de Normas Técnicas para CAD na COPASA - Draft 3 -2002.MATSUMOTO, ÉLIA YATHIE. “AutoLISP - Linguagem de programação do AutCAD”. SãoPaulo, Editora Érica Ltda, 1998.PORTO, RODRIGO DE MELO - Hidráulica Básica - São Paulo, EESC/USP, 1ª edição, 1998,540p.ROSSMAN, Lewis A. - EPANET Users Manual - Drinking Water Research Division, Office ofResearch Development, U. S. Environmental Protection Agency, 2000.11